第四章 外照射防护.ppt

核科学技术学院辐射防护与环境工程系,电离辐射剂量与防护概论,第四章 外照射的防护,第一节 外照射防护的一般方法 第二节 射线的外照射防护 第三节 射线外照射的防护 第四节 中子外照射的防护,第一节 外照射防护的一般方法,一、 外照射防护的基本原则 二、 外照射防护的基本方法 三、 屏蔽材料的选择原则 四、 确定屏蔽厚度所需用的参数和资料,外照射防护的基本原则, 基本原则： 尽量减少或避免射线从外部对人体的照射，使之所受照射不超过国家规定的剂量限值。,第一节 外照射防护的一般方法,二、 外照射防护的基本方法,外照射防护三要素： 时间、距离、屏蔽,剂量 剂量率 时间,1时间防护(time) 累积剂量与受照时间成正比 措施：充分准备，剂量分担，加强培训和操练,2距离防护(distance) 剂量率与距离的平方成反比（点源） 措施：远距离操作，任何源不能直接用手操作,点状源：平方反比规律（当离源的距离为源的线度10倍以上时）,3. 屏蔽防护(shielding) 措施： 设置屏蔽体 屏蔽材料和厚度的选择： 辐射源的类型、射线能量、活度,屏蔽材料的选择原则,根据辐射类型的和应用的特点来选择，同时又要考虑经济代价和材料的易获得。,确定屏蔽厚度所需用的参数和资料,屏蔽物的半减弱厚度1/2 所需用屏蔽物的厚度，应根据不同情况，如辐射类型、辐射强度、防护水平等通过计算确定。在实际的防护中，有经验的工作人员可以凭半厚度的经验数据确定射线屏蔽材料的厚度。 半减弱厚度指某种屏蔽材料将入射的射线强度减弱一半的厚度。半厚度与射线能量有关。 简言之， 射线经过个半厚度的屏蔽层后，其强度将减弱到原来强度的1/2 n。,例题：欲使60co点源外某点的剂量率由800sv/h减弱至100sv/，问需多厚的铅屏蔽层？ 例题2：一点状源外4米处剂量率为200sv/h，欲使1米处工作人员半小时所受剂量不超过100sv，问须设至少多厚的铅屏蔽层？,第二节 射线的外照射防护,（一）辐射源及剂量计算 （二）射线在物质中的减弱规律 （三）射线的屏蔽计算,（一）辐射源及剂量计算,1、 点源的照射量率的计算 (1) 放射性活度a (2) 照射量率常数 照射率常数 把源的活度a和照射率联系起来，其物理 意义：距离单位活度的点源1米处，在1小时内所产生的照射率。,点源 距离比源本身的几何尺寸大5倍以上。,(3)、照射量计算公式,dm吸收剂量，j/kg； fm因子，j/c； x照射量，c/kg.,dm吸收剂量，gy； fm因子，gy/r； x照射量，r.,2、 点源的空气吸收剂量率,3、 点源的吸收剂量率与粒子注量之间的关系,前提条件：需满足带电粒子平衡条件！,4、 点源的空气比释动能率,5、点源的空气比释动能率与吸收剂量率的关系,在空气中，上述2个剂量学量相等，对于水、肌肉、软组织等一类物质，如果忽略它们分别的质能吸收系数的区别，可以近似认为2个量在数值上也是相等的。,前提条件：需满足带电粒子平衡条件！,(1)基本思路,*任何一个辐射源,都可以分割成许多个小块辐射源,以致每一小块源都能被着成是一个点源；由于放射源的特殊性，因此源的形状一般比较固定，最多为点源，其余均可以归结于线源、面源、体源类型，而后三者可以看作是点源的集合体。 *分割的许多个点源在某点上产生的剂量学量等于它们简单叠加-积分问题； *对于非点源,除了需要考虑它的形状,体积外,还要考虑辐射源自身的吸收与散射等因素对剂量的影响。,非点源,q1,q2,（二） x、射线在物质中的衰减规律,一、窄束x或射线在物质中的减弱规律,（ 是物质的质量厚度 ）,1.两大特点,(1)低能时,光电效应占优势;然后是康普粒子散射占 优势;高能时电子对效应占优势.,一、窄束x或射线在物质中的减弱规律,1.两大特点,(2) 曲线在某个能量有极小值,原因:,故在某一特定能量(e)min处出现最小值.,实践意义：在(e)min附近的光子在物质中的穿透本领最强，即最不易被减弱。,z50的物质： (e)min在3-4mev之间 低z物质： (e)min10mev,(1)低能时,光电效应占优势;然后是康普粒子散射占 优势;高能时电子对效应占优势.,2.两个概念,(1)能谱的硬化,入射射线有谱分布,不同能量光子有不同值,大减弱得快,小减弱得慢。因此，随着通过物质的厚度增加，那些不易被减弱的 “硬成分” 所占比重会越来越大，这种现象称为能谱的硬化 。,(2)平均自由程,定义:=1/，它表示一个光子每经过一次相互作用之前，在物质中所穿过的平均厚度。,屏蔽厚度为几个平均自由程表示射线将减弱到原来的e的负几次方。,适者生存！,二、宽束x或射线在物质中的减弱规律,1、积累因子的引入,考虑到散射的影响，在宽束条件下 ：,b、bx为积累因子,* 窄束、宽束主要不是几何概念，而是物理概念。 * 一般，积累因子是指在所考察点上真正测量的某一辐射量的大小同用窄束减弱规律算得同一辐射量大小的比值。 * 对不同的辐射量,相应有不同的积累因子。 * 只有当d=0,b=1；一般b1。,说明:,2、单一均匀介质的积累因子,2、单一均匀介质的积累因子,(1) 累积因子数据:,一般情况下：,(2)bx的近似解析表达式,对于各向同性点源，介质的bx与材料厚度d的关系可表达为:,a1和a1、a2仅与材料和射线的能量有关，数值具体见p102表4.6;,3、多层介质的积累因子,在实验的基础上,归纳出积累因子。以双层屏蔽为例有:,（1）双层介质的原子序数相差不大,（2）两种原子序数相差很大,*低z在前,高z在后,即总积累因子值,可以用高z介质的代替，原因是光子从低z介质中射出的散射光子很容易被后面的高z介质吸收。,*高z在前,低z在后,当光子能量较低时：,当光子能量较高,超过与高z介质线减弱系数最小值相应的那个能量,【例题】设注量率为1010 m-2 s-1，能量为8mev的单向光子束垂直入射到1m厚的水和0.08m厚的铅组成的双层以屏蔽结构上。试确定这两种不同介质应怎样排列，其屏蔽效果较好。已知，对于8mev光子，注量率=1.3106 m-2 s-1相当于当量剂量率为110-2msv h-1。,三、宽束x或射线屏蔽的透射曲线,在x、辐射场中，某一点上的 或 ，与同一点上的照射量率成正比。故：,1、屏蔽计算中用的几个参量,a.减弱倍数k,定义：,无量纲,表示屏蔽层材料对辐射的屏蔽能力,对于给定的光子能量和屏蔽材料, 和 也就确定了，则可得k(d)。,b.透视比,定义,显然，,或,、,，即、k互为倒数。,d为透射比曲线。,c.透射系数,定义:设置厚度为d的屏蔽层之后，离x射线发射点1m处,由该射线装置单位工作负荷(1mamin)所造成的当量剂量。单位为 。,2、半减弱厚度1/2和十倍减弱厚度1/10,1/2的定义:,将入射x或光子数(注量率或照射量率等) 减弱到一半所需的屏蔽层厚度。,1/10的定义:,将入射x或光子数 (注量率或照射量率等)减到十分之一所需的屏蔽层厚度。,两者之间的联系:,*给定辐射在屏蔽介质中的1/2和1/10值并不是一个常数,而且随k的增加略有变化。 *当辐射穿过一定厚度的物质层之后存在一个平衡的1/2和 1/10,它们不能用于初级x或射线的屏蔽计算,但可用于经过相当程度减弱的射线束。,说明,四、屏蔽x或射线的常用材料,1.铅： 原子序数、密度大， 对低能和高能的x或射线有很高的减弱能力，但在1mev到几mev的能区，减弱能力最差。 缺点：成本高，结构强度差，不耐高温。 2. 铁： 屏蔽性能比铅差。但成本低，易获得，易加工。 3. 混凝土： 价格便宜，结构性能良好。多用作固定的防护屏障。 4. 水： 屏蔽性能较差，但有特殊优点：透明度好，可随意将物品放入其中。常以水井、水池形式贮存固体辐射源。,（三） 射线的屏蔽计算,（2）查透射比曲线,（1）查减弱倍数表,【例题】欲将放射性活度为3.71014bq的60co辐射源置于一个铅容器中，要求容器表面的当量剂量率小于210-3svh-1，距容器表面1m处的当量剂量应小于10-4 svh-1。设设容器表面到源的距离r1=25cm，求铅容器的屏蔽层厚度。,【例题】钴治疗机机头内，贮源位置处盛放着一个活度为3.331014bq的60co辐射源，要求在机头外表面处的剂量当量率不超过7.510-6svh-1水平。试确定所需铅屏蔽层的厚度。,迄今，还没有一个满意的计算射线剂量的理论方式。通常都用经验公式来作近似计算。,一、射线的剂量计算,1、点源的剂量计算,当 时：,第三节 射线的外照射防护,空气：,软组织：,一般情况下，粗略的估计：,某些放射性素射线的最大能量和平均能量,例题：设有一个活度为 的 点源，求离该点源30cm处，空气的吸收剂量率。,解：当 衰变时,它放出0.546mev的射线后,转变为 ,而 衰变时又放出2.284mev的射线。,2、面源的剂量计算,一般情况下，简单的估算：,当 时：,二、射线的屏蔽计算,经验公式：,射线的能谱是连续谱，但是射线的射程与能量为射线最大能量的单能电子的射程相等。,带电粒子的射程常用质量厚度（ ）表示，其优点是因为屏蔽电子、射线的常用材料，如铝、塑料、普通玻璃等，尽管它们的密度相差很大，但以 为单位的质量射程，数值上都很接近。,当屏蔽层厚度小于射线的最大射程时，射线在屏蔽材料中的减弱可用射线的半减弱层 方法估算。,射线在铝中的1/2值，mgcm-2,二、射线所致轫致辐射的屏蔽计算,1、射线所致轫致辐射的剂量计算,2、射线所致轫致辐射的屏蔽计算,转移份额,假定,能量注量率,吸收剂量率,当量剂量率,透射比,例题：设活度为3.7*1010bq的点状 32p固体源，问用铝屏蔽射线，其厚度为多少？当射线被铝完全屏蔽时，由此产生的轫致辐射在0.2m处空气中的吸收剂量率为多大？若用铅屏蔽轫致辐射，那么铅屏蔽层为多厚？假设当量剂量率的控制水平 为 。 解:射线的最大能量 为1.711mev，平均能量 为 0.695mev。铝的密度 ，铝的有效原子序数即是它本身的原子序数z为13。,铝的射程,铝的厚度,查附表9得铅屏蔽层厚度为5.5cm,吸收剂量率,吸收剂量率,透射比,减弱倍数,第四节 中子的外照射防护,一、放射性核素中子源 二、中子剂量的计算 三、中子在屏蔽层的减弱 四、放射性核素中子源的屏蔽计算,放射性核素中子源 加速器中子源 反应堆中子源 等离子体中子源,一、中子辐射源,中子源注意事项：往往伴有 辐射。,放射性核素中子源,优点： 发出的中子基本各向同性； 源的尺寸小； 价格便宜。,缺点： 产额小，且随时间减弱； 易形成污染。,表3.4.1 放射性核素中子源的特性,表3.4.2 252cf自发裂变中子源的物理特性,二、中子剂量的计算 1.中子与机体组织相互作用的特点,表3.4.6 中子在机体组织中发生的重要的相互作用,（二）中子剂量的计算,1. 比释动能计算,式中,为中子比释动能因子。,吸收剂量：,小块组织：,大块组织：,中子辐射权重因子wr,中子当量剂量换算因子fhi，n和10svh-1对应的中子注量率限值,2. 当量剂量计算,单能：,连续谱：,三、中子在屏蔽层中的减弱,（一）减弱原理,第一步：快中子通过与物质的非弹性散射和弹性散射，慢化成热中子； 第二步：热中子被物质俘获吸收。,首先用重或较重的物质，通过非弹性散射使中子能量很快降到与原子核第一激发能级能量（阈能）以下；然后，再利用含氢物质，通过弹性散射使中子能量降到热能区。,某些元素的热中子吸收截面及相应俘获辐射的最大能量,（二）减弱规律,窄束：,宽束：,（三）计算宽束中子减弱的分出截面法,原理：通过屏蔽材料的选择使得中子一经散射就很快被吸收，穿过屏蔽层的都是未经相互作用的中子。,屏蔽材料必须满足的条件：,（1）屏蔽层足够厚； （2）屏蔽层含像铁、铅之类的重材料，通过非弹性散射将中子能量很快降到1mev以下； （3）屏蔽层内含有足够的氢，在很短距离内，将中子能量从1mev降到热能，然后被吸收。,屏蔽材料对裂变中子的宏观分出截面与其微观分出截面 的关系为：,如果屏蔽材料是混合物或化合物,对于裂变中子的宏观分出截面,原子量10，宏观分出截面：,若干元素对裂变中子的宏观分出截面,某些化合物对裂变谱中子的宏观分出截面,式中， 是中子能量，mev。中子能量在1.520mev范围内，上式算得的 值的准确度在2%左右,氢的分出截面等于其总截面的90%，即,（四）计算宽束中子的透射曲线, 中子辐射透射系数,单位中子注量在屏蔽体后造成的剂量当量，单位svcm2。, 中子透射比, 中子减弱倍数, 十倍减弱厚度,使沿入射束方向的中子注量率减少到原来的1/10的屏蔽体厚度。,有的资料给出8.151022。 有的资料给出8.31022。,常用屏蔽材料中的含氢量,水：含氢量大，既是慢化剂，又是吸收体，氢的俘获 辐射能量低，只有2.2mev，便于屏蔽。水的泄漏易酿成事故。,混凝土：既有轻元素，又有较重的元素和一定量的水分，对中子和光子都有较好的屏蔽作用。混凝土中水含量的不同对屏蔽效果影响较大，需要进行修正。,石蜡：含大量的氢，易成型，但结构性能差，高温易软化，低温易干裂，对 辐射屏蔽性能差。,聚乙烯：含氢丰富，易加工成型，温度高于100c时，易软化。,泥土：含水多，廉价。,锂和硼：热中子吸收截面大，锂俘获中子后放出的 辐射可忽略不计，硼俘获中子放出0.47mev的 辐射，易屏蔽。,四、放射性核素中子源的屏蔽计算,式中：d是屏蔽层厚度，cm；r是屏蔽材料的宏观分出截面，cm-1；a是放射性核素中子源中放射性核素的活度，bq；y是放射